Download Trabajo y energía - IES Beatriz de Suabia

I.E.S BEATRIZ DE SUABIA
Dpto. Física y Química
TRABAJO Y ENERGÍA - EJERCICIOS
►
Hallar la energía potencial gravitatoria
Epg = mgh = 0,5 kg ⋅ 9,8 m / s2 ⋅ 0,8 m = 3,92 J
adquirida por un alpinista de 80 kg que
escala una montaña de 1.200 metros de
--------------- 000 ---------------
altura.
Su energía potencial gravitatoria sería:
► Calcular la energía cinética de un camión
de 5 toneladas que se desplaza a 72 km/h.
Epg = mgh = 80 kg ⋅ 9,8 m / s2 ⋅ 1200 m = 940800 J
Pasamos la velocidad al Sistema Internacional:
--------------- 000 --------------v = 72
km 1000 m
1h
x
x
= 20 m / s
h
1 km
3600 s
► Calcular la masa de la bola de acero de
un martillo pilón que incrementa su energía
potencial gravitatoria en 600 J al elevarla
Su energía cinética valdrá:
una altura de 4 metros.
Ec =
Despejando la masa de la ecuación de la
1
1
mv 2 = 5000 kg ⋅ (20 m / s)2 = 106 J
2
2
--------------- 000 ---------------
energía potencial gravitatoria tendremos:
m=
Epg
gh
=
600 J
9,8 m / s2 ⋅ 4 m
= 15,3 kg
►
Calcular la energía cinética de una
automóvil de 1000 kg que se desplaza a 90
km/h.
--------------- 000 ---------------
► Hallar el aumento de energía potencial
Pasamos la velocidad al Sistema Internacional:
v = 90
km 1000 m
1h
x
x
= 25 m / s
h
1 km
3600 s
gravitatoria de un libro de 500 gr que se
sitúa a 80 cm de altura sobre una mesa.
Su energía cinética valdrá:
Ec =
1
1
mv 2 = 1000 kg ⋅ (25 m / s )2 = 312500 J
2
2
Física y Química 4º E.S.O. - Ejercicios - Trabajo y Energía
1
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Dpto. Física y Química
--------------- 000 ---------------
Ec (1) =
1
m1v 2
2
Ec (2) =
;
1
m2 v 2
2
► Dos coches de igual masa circulan uno a
Si sustituimos en la energía cinética del 2, m2
doble velocidad que el otro. ¿Cuál es la
por 10m1 tendremos:
relación entre las energías cinéticas de cada
uno de ellos?.
E c ( 2) =
1
1
10 ⋅ m1v 2 = 10 ⋅ m1v 2 = 10 ⋅ Ec (1)
2
2
Supongamos que el coche 2 tiene el doble de
Luego, la energía cinética del 2 es 10 veces
velocidad que el 1. Por lo tanto, v2 = 2 v1 .
mayor que la del 1.
Las energías cinéticas de cada uno de ellos
--------------- 000 ---------------
serán:
Ec (1) =
1
mv12
2
;
Ec ( 2 ) =
1
mv 22
2
► Dos masas m1 y m2, tal que m2=4 m1 ,
tienen la misma energía cinética. Calcula la
Donde m es la masa de los coches que es igual
relación entre sus velocidades.
en ambos. Si en la energía cinética del coche 2
sustituimos v2 por 2 v1 tendremos:
Si las dos masas tienen la misma energía
1
1
1
m(2v 1 )2 = m ⋅ 4 ⋅ v 12 = 4 ⋅ mv 12 =
2
2
2
= 4 ⋅ E c (1)
E c ( 2) =
cinética se deberá cumplir que:
1
1
m1v12 = m2v 22
2
2
Por lo tanto, la energía cinética del 2 será 4
veces mayor que la del 1.
--------------- 000 ---------------
Si sustituimos m2 por 4 m1 tendremos:
1
1
m1v12 = 4 ⋅ m1v 22
2
2
⇒
v12 = 4 ⋅ v 22
► Un coche y un camión circulan por una
Y sacando la raíz cuadrada a los dos miembros
carretera a la misma velocidad. La masa del
tendremos que:
camión es diez veces mayor que la del
automóvil. ¿Cuál es la relación entre las
energías cinéticas de ambos vehículos?.
v12 = 4 ⋅ v 22
⇒
v1 = 2 ⋅ v 2
Por lo tanto, la velocidad de la masa 1 debe ser
Supongamos que m2 = 10 m1 . Sus energías
el doble de la velocidad de la masa 2.
cinéticas serían:
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--------------- 000 ---------------
El trabajo sería igual a:
W = F ⋅ ∆x = 100 N ⋅ 20 m = 2000 J
►
Una persona empuja una vagoneta
ejerciendo sobre ella una fuerza constante
Si inicialmente está en reposo, su energía
de 60 N. Calcular el trabajo que realiza sobre
cinética inicial será cero. Como el trabajo es
la vagoneta `para desplazarla 10 m.
igual a lo que varía la energía cinética
tendremos que:
El trabajo será igual a:
W = ∆Ec = EcF − Ec o = EcF − 0 = EcF = 2000 J
Si
W = F ⋅ ∆x = 60 N ⋅ 10 m = 600 J
conocemos
podremos
la
energía
calcular
la
cinética
final,
velocidad
final
despejándola de la ecuación de la energía
--------------- 000 ---------------
►
cinética, es decir:
Hallar el trabajo realizado al subir un
peso de 100 N por una escalera hasta una
altura de 6 m.
Ec F =
=
1
mv F2
2
⇒
vF =
2 ⋅ Ec F
=
m
2 ⋅ 2000 J
= 2,3 m / s
750 kg
--------------- 000 --------------Para subir un cuerpo hay que realizar una
fuerza igual a su peso, para poder vencer la
atracción de la Tierra. Por lo tanto, el trabajo
► Una persona empuja una vagoneta, de
que hay que realizar será:
300 kg de masa, sobre unos carriles
horizontales
W = F ⋅ ∆x = 100 N ⋅ 6 m = 600 J
sin
rozamiento
realizando
sobre ella un trabajo de 800 J. Si al final la
vagoneta tiene una energía cinética de 2200
J, calcular su energía cinética inicial y su
--------------- 000 ---------------
velocidad inicial.
► Se aplica una fuerza constante de 100 N
sobre un automóvil de 750 kg inicialmente
Como el trabajo es igual a la variación de
en
energía cinética podremos poner que:
reposo,
haciendo
que
recorra
una
distancia de 20 m. Hallar el trabajo realizado
sobre el coche, su energía cinética final y su
W = ∆Ec = EcF − Ec o
velocidad final.
= 2200 J − 800 J = 1400 J
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⇒
Ec 0 = EcF − W =
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Y la velocidad inicial, despejándola de la
d)
fórmula de la energía cinética será:
desplazamiento.
Ec 0 =
=
1
mv 02
2
⇒
v0 =
2 ⋅ Ec 0
=
m
2 ⋅ 1400 J
= 3,05 m / s
300 kg
Forma
150º
con
la
dirección
del
La diferencia en cada caso viene dada por el
ángulo que forma la fuerza con la dirección del
desplazamiento.
a)
--------------- 000 ---------------
W = F ⋅ ∆x ⋅ cos α = 100 N ⋅ 50 m ⋅ cos 0º = 5000 J
b)
►
¿Qué trabajo realiza el motor de un
W = F ⋅ ∆x ⋅ cos α = 100 N ⋅ 50 m ⋅ cos 60º = 2500 J
ascensor de 800 kg de masa para elevarlo
desde el piso tercero al sexto, si la altura de
c)
cada piso es de 3 metros?.
W = F ⋅ ∆x ⋅ cos α = 100 N ⋅ 50 m ⋅ cos 90º = 0 J
d)
La fuerza que debe realizar el motor es igual al
W = F ⋅ ∆x ⋅ cos α = 100 N ⋅ 50 m ⋅ cos 150 º =
= −4330 J
peso del ascensor, es decir:
--------------- 000 --------------F = P = mg = 800 kg ⋅ 9,8 m / s2 = 7840 N
Como sube tres pisos el desplazamiento será
de 9 m, luego el trabajo que deberá realizar
será:
► Un cuerpo de 2 kg recorre un espacio de
10 m en ascenso por un plano inclinado 30º
sobre la horizontal, obligado por una fuerza
de 15 N paralela al plano. Si el coeficiente de
W = F ⋅ ∆x = 7840 N ⋅ 9 m = 70560 J
rozamiento entre el cuerpo y el plano vale
0'2, calcula el trabajo realizado por las
fuerzas que actúan sobre el cuerpo.
--------------- 000 --------------Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo al subir
► Un cuerpo se desplaza horizontalmente
por el plano inclinado son:
50 m bajo la acción de una fuerza constante
de 100 N. Determinar el trabajo realizado por
N
dicha fuerza si:
Froz
a) Actúa horizontalmente en el sentido del
movimiento.
FN
b) Forma un ángulo de 60º con la horizontal.
FT
α
P
α=30º
c) Actúa perpendicularmente.
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dirección y sentido de su movimiento a lo
Los valores de las componentes del peso y de
largo de 500 m.
la fuerza de rozamiento valen:
a) ¿Cuál es la energía cinética inicial del
vehículo?.
b) ¿Qué trabajo ha realizado el motor sobre
P = m ⋅ g = 2 kg ⋅ 9,8 m / s2 = 19,6 N
el automóvil?.
c) ¿Cuál será la energía cinética final
FT = P ⋅ sen α = 19,6 N ⋅ sen 30º = 9,8 N
suponiendo que no hay rozamiento?.
d)
FN = P ⋅ cos α = 19,6 N ⋅ cos 30º = 16,97 N
¿Cuál
es
la
velocidad
final
del
automóvil?.
Froz = µ ⋅ FN = 0,2 ⋅ 16,97 N = 3,39 N
a) La velocidad inicial en el S.I. es de 20 m/s
Si el cuerpo sube 10 m a lo largo del plano, las
y N no realizan trabajo ya que
fuerzas FN
forman
luego su energía cinética inicial será:
un
ángulo
de
90º
con
el
desplazamiento. El trabajo de las demás
Ec o =
1
1
mv o2 = 1000 kg ⋅ (20 m / s)2 = 200000 J
2
2
fuerzas será:
b) El trabajo que realiza el motor será:
W (F) = F ⋅ ∆x ⋅ cos α = 15 N ⋅ 10 m ⋅ cos 0º = 150 J
W (FT ) = FT ⋅ ∆x ⋅ cos α = 9,8 N ⋅ 10 m ⋅ cos 180 º =
W = F ⋅ ∆x ⋅ cos α = 200 N ⋅ 500 m ⋅ cos 0º =
= 100000 J
= − 98 J
W (Froz ) = Froz ⋅ ∆x ⋅ cos α = 3,39 N ⋅ 10 m ⋅ cos 180 º =
= − 33,9 J
c) El trabajo realizado por el motor se invierte
en variar la energía cinética del coche, luego:
El trabajo total realizado será la suma de los
W = ∆Ec = Ec F − Ec o
⇒
Ec F = W + Ec o =
trabajos realizados por cada una de las
= 100000 J + 200000 J = 300000 J
fuerzas, es decir:
d) Si despejamos la velocidad final de la
WTOTAL = 150 J − 98 J − 33,9 J = 18,1 J
ecuación de la energía cinética final tendremos
que:
--------------- 000 --------------Ec F =
► Un automóvil de 1000 kg de masa circula
por
una
carretera
horizontal
con
una
=
1
mv F2
2
⇒
vF =
2 ⋅ Ec F
=
m
2 ⋅ 300000 J
= 24,49 m / s
1000 kg
velocidad constante de 72 km/h; el motor
aplica sobre él una fuerza de 200 N en la
--------------- 000 ---------------
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W (Froz ) = Froz ⋅ ∆x ⋅ cos α = 1200 N ⋅ 0,07 m ⋅
► Un cuerpo de 1 kg de masa se mueve a
⋅ cos 180 º = − 84 J
una velocidad de 2 m/s. ¿Qué trabajo se
deberá realizar para pararlo?.
Este trabajo en contra de la bala disminuirá su
energía cinética de tal forma que al salir de la
tabla llevará menor energía cinética (menor
El cuerpo lleva inicialmente una energía
velocidad).
cinética de valor:
La energía cinética inicial será:
Ec o =
1
1
mv o2 = 1 kg ⋅ (2 m / s)2 = 2 J
2
2
1
1
mv o2 = 0,015 kg ⋅ (450 m / s )2 =
2
2
= 1518,75 J
Ec o =
Si al final se para su energía cinética final será
cero. Luego, su energía cinética habrá variado
Por lo tanto, la energía cinética con que saldrá
en:
la bala al final será:
∆Ec = EcF − Ec o = 0 J − 2 J = − 2 J
EcF = 1518,75 J − 84 J = 1434,75 J
Y como el trabajo es igual a lo que varía su
energía cinética, habrá que realizar un trabajo
Y la velocidad final será:
de – 2 J, lógicamente será negativo ya que la
fuerza que habrá que realizar para pararlo
Ec F =
deberá ir en contra del sentido del movimiento.
=
--------------- 000 ---------------
1
mv F2
2
⇒
vF =
2 ⋅ Ec F
=
m
2 ⋅ 1434,75 J
= 437,37 m / s
0,015 kg
--------------- 000 --------------► Una bala de 15 gr perfora una tabla de 7
cm
de
velocidad
espesor
de
incidiendo
450
m/s.
La
con
fuerza
una
de
rozamiento que ofrece la tabla al paso de la
►
Si dos máquinas realizan el mismo
trabajo ¿tienen la misma potencia?.
bala es de 1200 N. Determinar la velocidad
de salida de la bala una vez que atraviesa la
tabla.
No. La potencia es el trabajo realizado en
relación al tiempo empleado. Luego, tendrá
mayor potencia la máquina que realice el
La fuerza de rozamiento realizará un trabajo
trabajo en menor tiempo.
negativo mientras que la bala está atravesando
la tabla, de valor:
--------------- 000 ---------------
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► El motor de una grúa eleva un bloque de
P=
50 kg a una altura de 10 m en 5 s. a) ¿Qué
W 1176 J
=
= 78,4 w
t
15 s
trabajo ha realizado?, b) ¿Cuál es su
potencia?.
--------------- 000 ---------------
a) La fuerza que tiene que realizar la grúa es
► El motor de una excavadora tiene una
igual al peso del cuerpo, es decir:
potencia de 250 CV. a) ¿Cuál es su potencia
en vatios y kilovatios?
2
F = P = m ⋅ g = 50 kg ⋅ 9,8 m / s = 490 N
puede
realizar
en
b) ¿Qué trabajo
una
hora
de
funcionamiento?.
Y el trabajo será:
W = F ⋅ ∆x = 490 N ⋅ 10 m = 4900 J
b) La potencia que desarrolla será:
P=
W 4900 J
=
= 980 w
t
5s
--------------- 000 ---------------
a) Como 1 CV=735 w tendremos que:
P = 250 CV ⋅
735 w
= 183750 w = 183,75 kw
1 CV
b) El trabajo que realizará en 1 hora será:
W = P ⋅ t = 183750 w ⋅ 3600 s = 6,615 ⋅ 108 J
--------------- 000 --------------► Una persona eleva un bloque de 20 kg a
una altura de 6 m en 15 s. a) ¿Qué trabajo ha
realizado? , b) ¿Cuál es su potencia?.
► Un automóvil de 800 kg de masa acelera
desde 0 a 100 km/h en 8 s. Calcular:
a) La variación de energía cinética del
a) La fuerza que tiene que realizar la persona
automóvil en ese tiempo.
es igual al peso del bloque, es decir:
b) El trabajo realizado por el motor.
c) La potencia desarrollada por el vehículo,
F = P = m ⋅ g = 20 kg ⋅ 9,8 m / s2 = 196 N
expresada en CV.
a) La energía cinética inicial será cero ya que
Y el trabajo será:
está parado. La velocidad final es de 27,77 m/s,
W = F ⋅ ∆x = 196 N ⋅ 6 m = 1176 J
luego la energía cinética final será:
b) La potencia que desarrolla será:
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1
1
mv F2 = 800 kg ⋅ (27,77 m / s )2 =
2
2
= 308469,16 J
--------------- 000 ---------------
Y esta será también la variación de la energía
► Un cuerpo de 10 kg de masa es lanzado
cinética ya que al principio es nula.
verticalmente
Ec F =
velocidad
hacia
inicial
de
arriba
25
con
m/s.
una
Calcula,
b) El trabajo realizado equivale a lo que varía la
aplicando el principio de conservación de la
energía cinética, luego:
energía
mecánica,
qué
altura
puede
alcanzar.
W = ∆Ec = 308469,16 J
c) La potencia será:
La energía cinética inicial del cuerpo al lanzarlo
será:
P=
W 308469,16 J
=
= 38558,64 w = 52,46 CV
t
8s
Ec o =
1
1
mv o2 = 10 kg ⋅ (25 m / s)2 = 3125 J
2
2
--------------- 000 --------------Si no existe rozamiento esta energía cinética se
va
convirtiendo
en
energía
potencial
► Un cuerpo de 20 kg cae desde una altura
gravitatoria. Luego, al alcanzar su máxima
de 20 m. Calcular su energía cinética y su
altura (velocidad cero) toda la energía cinética
velocidad al llegar al suelo.
inicial
Nota:
No
utilizar
las
ecuaciones
del
movimiento.
se
habrá
convertido
en
potencial
gravitatoria. Luego, en la altura máxima tendrá
3125 J de energía potencial gravitatoria y la
altura correspondiente será:
En este caso la energía potencial que tiene al
principio se convertirá íntegramente en energía
h=
Ep
3125 J
=
= 31,88 m
mg 10 kg ⋅ 9,8 m / s2
cinética al llegar al suelo, luego:
--------------- 000 --------------Ec(suelo) = Ep(arriba) = mgh = 20 kg ⋅ 9,8 m / s 2 ⋅
⋅ 20 m = 3920 J
► Una pelota de tenis de 100 gr de masa
cae de una altura de 10 m. Calcular la
Y La velocidad final al llegar al suelo será:
energía cinética y potencial:
a) cuando se encuentra a 10 m.
v suelo =
2 ⋅ Ec suelo
=
m
2 ⋅ 3920 J
= 19,79 m / s
20 kg
b) Cuando se encuentra a 5 m.
c) En el momento de contacto con el suelo.
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A lo largo de todo el trayecto la energía
Si a los 30 m su velocidad es de 5 m/s las
mecánica permanecerá constante.
energías cinéticas y potencial en esa posición
serán:
a) Su energía cinética será cero y la potencial:
Ec =
Ep = mgh = 0,1 kg ⋅ 9,8 m / s2 ⋅ 10 m = 9,8 J
1
1
mv 2 = 0,1 kg ⋅ (5 m / s)2 = 1,25 J
2
2
Ep = mgh = 0,1 kg ⋅ 9,8 m / s2 ⋅ 30 m = 29,4 J
La energía mecánica será:
Em = Ec + Ep = 0 J + 9,8 J = 9,8 J
Y su energía mecánica será:
Al no existir rozamiento este valor de energía
Em = Ec + Ep = 1,25 J + 29,4 J = 30,65 J
mecánica permanecerá igual en toda la caída.
Como
la
energía
mecánica
permanece
b) Cuando está a 5 m su energía potencial
constante, al principio cuando se lanza desde
será:
el suelo la energía mecánica valdrá también
30,65 J y, como en ese momento, la energía
Ep = mgh = 0,1 kg ⋅ 9,8 m / s2 ⋅ 5 m = 4,9 J
potencial es cero (por estar a altura cero) toda
la energía mecánica será cinética, Por lo tanto,
la energía cinética al lanzarla valdrá 30,65 J y
Y la cinética será:
la velocidad de lanzamiento será:
Ec = Em − Ep = 9,8 J − 4,9 J = 4,9 J
v=
2 ⋅ Ec
m
=
2 ⋅ 30,65 J
= 24,75 m / s
0,1 kg
c) Al llegar al suelo no tendrá energía potencial
y toda la energía mecánica será cinética, por lo
--------------- 000 ---------------
tanto, la energía cinética al llegar al suelo será
de 9,8 J.
► Lanzamos un objeto, de 10 kg de masa,
--------------- 000 ---------------
verticalmente
hacia
arriba
con
una
velocidad de 20 m/s. Calcula la altura y la
►
Lanzas verticalmente hacia arriba una
pelota de 100 gr de masa. Cuando se
velocidad de la misma cuando su energía
cinética se haya reducido a la mitad.
encuentra a 30 m del suelo, su velocidad es
de 5 m/s ¿Cuánto vale su energía cinética?
¿y
su
energía
mecánica?
velocidad se lanzó?
¿Con
La energía cinética inicial será:
qué
Ec o =
1
1
mv o2 = 10 kg ⋅ (20 m / s)2 = 2000 J
2
2
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Su energía mecánica también valdrá 2000 J ya
que en ese momento no tiene energía
potencial.
h=
Ep
1000 J
=
= 10,2 m
mg 10 kg ⋅ 9,8 m / s2
En el momento de que su energía cinética se
reduce a la mitad (1000 J) lo que ha perdido de
--------------- 000 ---------------
energía cinética lo habrá ganado de energía
potencial luego su energía potencial valdrá
también 1000 J, ya que la energía mecánica no
varía. Por lo tanto, la velocidad y la altura en
ese momento será:
v =
2 ⋅ Ec
m
=
2 ⋅ 1000 J
= 14,14 m / s
10 kg
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